塔里木大火成岩省普昌基性岩墙的锆石U-Pb年代学、地球化学及Sr-Nd-Hf同位素特征：对岩浆演化及地幔柱-岩石圈相互作用的启示

《Frontiers in Earth Science》：Zircon U-Pb dating, geochemistry, and Sr-Nd-Hf isotopes of the Puchang mafic dikes: implications for magmatic evolution of the Tarim large igneous province

本文聚焦塔里木大火成岩省（TLIP）内普昌地区早二叠世（~273-272 Ma）的辉绿岩和细晶岩墙，通过系统的锆石U-Pb定年、全岩主微量元素地球化学及Sr-Nd-Hf同位素分析，揭示了其源区为受俯冲组分交代的大陆岩石圈地幔（低度部分熔融的石榴石-尖晶石二辉橄榄岩），岩浆演化经历了铁钛氧化物和辉石的分离结晶及轻微地壳混染。研究将普昌岩墙的形成置于地幔柱热侵蚀导致岩石圈减薄的晚期阶段（273–272 Ma），为完善TLIP“地幔柱-岩石圈相互作用”模型提供了关键证据，深化了对多期次岩浆作用源区属性及构造背景的认识。

　　

1 引言

大型火成岩省（LIPs）以短时间内大规模岩浆喷发为特征，通常被认为是地幔柱活动的产物。塔里木大火成岩省（TLIP）作为继峨眉山LIP之后中国境内另一个被国际广泛认可的大型火成岩省，其岩石组合极为复杂，被认为是全球岩石组合最复杂的LIP。TLIP的岩浆活动持续时间较长（约300-270 Ma），可分为三个主要阶段：早期以瓦吉里塔格的金伯利质岩石（约300 Ma）为代表；第二期以广泛分布的大陆溢流玄武岩（约290 Ma）为主；晚期则以复杂的基性-超基性侵入体、碱性岩和花岗岩以及大量岩墙（如辉绿岩墙、细晶岩墙等）为特征。以往对TLIP晚期岩浆作用的研究多集中于大型侵入体和碱性岩，而对晚期岩墙的关注有限。本研究旨在通过对其开展精细的年代学、岩石学和地球化学研究，约束其成因及源区性质，为理解TLIP的演化过程提供新的制约。

2 区域地质背景

塔里木克拉通位于中国新疆西南部，北邻天山造山带，南接昆仑造山带。普昌地区位于塔里木地块西北缘，自晚古生代以来经历了强烈的岩浆活动。出露地层包括上寒武统-中奥陶统丘里塔格组、上志留统柯坪塔格组、上石炭统康克林组、下二叠统巴立克立克组及新近系西域组。该区岩浆岩主要由普昌基性杂岩体和晚期碱性、酸性岩墙组成。普昌基性杂岩体侵入上石炭统康克林组，主要岩性包括含斜长石单斜辉石岩、辉长岩和斜长岩，其中辉长岩占主导。晚期侵入了大量的岩墙，如辉绿岩墙、细晶岩墙、煌斑岩墙、闪长岩墙和花岗岩墙等。

3 岩相学与矿物学特征

普昌辉绿岩手标本呈灰绿色，具辉绿结构、块状构造，主要由辉石、斜长石和磁铁矿组成。辉石呈半自形-他形柱状，多已绿泥石化；斜长石呈半自形-自形柱状，发育聚片双晶。普昌细晶岩手标本呈灰黑色，具斑状结构、辉绿基质和块状构造，斑晶为辉石和斜长石。镜下观察显示，斑晶主要为单斜辉石和斜长石，基质由单斜辉石、斜长石和磁铁矿组成，具辉绿结构。

4 分析方法

研究采集了15件新鲜基岩样品，其中2件用于锆石U-Pb定年和Hf同位素分析，13件用于地球化学分析。锆石U-Pb定年在武汉样品分析科技有限公司完成，使用GeoLas2005激光剥蚀系统 coupled with Agilent 7500a ICP-MS。全岩主微量元素分析在ALS分析公司（广州）完成，主量元素采用X射线荧光光谱（XRF）分析，稀土和微量元素采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析。全岩Sr-Nd同位素分析在武汉样品分析科技有限公司使用多接收器电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）完成。

5 分析结果

5.1 锆石U-Pb定年结果

辉绿岩（TW24-1）和细晶岩（TW34-1）的锆石均呈自形-半自形，发育典型的岩浆振荡环带。辉绿岩的加权平均年龄为273 ± 3 Ma，细晶岩的加权平均年龄为272 ± 2 Ma，表明二者均形成于早二叠世。

5.2 主量元素特征

辉绿岩的SiO₂含量为46.25%–49.98%，全碱（Na₂O + K₂O）为4.34–5.77 wt%，属于中钾钙碱性系列。细晶岩的SiO₂含量为50.25%–51.09%，全碱较低（2.77%–3.30%），属于低钾钙碱性系列。哈克图解显示MgO与SiO₂、CaO呈正相关，与TFe₂O₃/TiO₂/Al₂O₃/P₂O₅呈弱负相关，反映了岩浆分异趋势。

5.3 稀土和微量元素特征

辉绿岩的稀土元素总量较高（95.92–269.62 × 10^?6），轻稀土元素富集，具弱的正Eu异常。原始地幔标准化蛛网图显示Nb、Ta、Ti、Y的负异常和Th、Sr、Zr的正异常。细晶岩的稀土元素总量较低，轻稀土富集程度较弱，模式与OIB相似，蛛网图显示不相容元素富集和高场强元素亏损。

5.4 Hf同位素特征

辉绿岩和细晶岩锆石的ε_Hf(t)值分别为-2.52至-0.45和-1.23至+2.47，具有相似的Hf同位素组成。

5.5 Sr-Nd同位素特征

辉绿岩和细晶岩的(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)_i比值分别为0.70464–0.70582和0.70432–0.70491，ε_Nd(t)值分别为0.97–2.51和0.85–2.77，主要落在OIB的演化范围内。

6 讨论

6.1 岩浆演化过程

岩相学和地球化学证据表明，普昌辉绿岩和细晶岩经历了后期蚀变较弱。其Nb/U比值接近洋岛玄武岩，而Nb/Ta和Zr/Hf比值介于原始地幔和大陆地壳之间，暗示可能存在轻微的地壳混染，但Sr-Nd同位素组成一致表明混染不显著。主量元素哈克图解和Yb-Tb/Yb图解指示岩浆演化过程中发生了铁钛氧化物和辉石的分离结晶，而斜长石未发生明显分离结晶。

6.2 地幔源区

辉绿岩和细晶岩具有相似的微量元素配分模式和Sr-Nd-Hf同位素特征，表明它们可能来自同一母岩浆的分异。Sm-Sm/Yb和La/Sm-Sm/Yb模拟显示其源区可能为石榴石-尖晶石二辉橄榄岩。其OIB-like的地球化学特征和亏损的同位素组成指示其源区为受俯冲组分交代的岩石圈地幔，而非软流圈地幔或深部地幔柱。结合塔里木克拉通之下存在厚达~140 km的岩石圈，研究认为普昌岩墙的原始岩浆是交代大陆岩石圈地幔低度部分熔融的产物，地幔柱主要提供了热源而非熔体。

6.3 构造背景

综合新的年代学和地球化学数据，结合前人提出的地幔柱-岩石圈相互作用模型，TLIP的演化可概括为：早-中古生代，南天山洋向南俯冲，其派生组分交代了软流圈和岩石圈地幔；约300 Ma，地幔柱抵达塔里木厚岩石圈底部，诱发岩石圈地幔中易熔组分低度部分熔融形成金伯利质岩石；292–287 Ma，岩石圈与地幔柱强烈相互作用，引发富集古老岩石圈地幔大规模熔融，侵位大规模溢流玄武岩；283–274 Ma，地幔柱热侵蚀导致塔里木岩石圈部分减薄，相对亏损的岩石圈地幔部分熔融形成基性-超基性杂岩体；本研究中的辉绿岩和细晶岩（273–272 Ma）及区域上的岩墙在此阶段形成；270 Ma及以后，上升的地幔柱发生减压熔融，岩石圈与地幔柱的强烈相互作用最终形成晚期侵入岩和富碱质岩石。

7 结论

1. 1.
   锆石U-Pb定年表明普昌辉绿岩和细晶岩形成于早二叠世（~273-272 Ma）。
2. 2.
   其源区为受俯冲组分交代的大陆岩石圈地幔（石榴石-尖晶石二辉橄榄岩），岩浆起源于岩石圈地幔的低度部分熔融，并在演化过程中经历了分离结晶和地壳混染。
3. 3.
   结合地幔柱-岩石圈相互作用模型，普昌岩墙形成于地幔柱上涌引发岩石圈地幔大规模熔融的晚期阶段（290–270 Ma）。